基于dSPACE的AMT電控操縱系統試驗臺設計*

曹淼龍 李強 楊禮康

（浙江科技學院）

基于dSPACE的AMT電控操縱系統試驗臺設計*

曹淼龍 李強 楊禮康

（浙江科技學院）

以AMT為研究對象，以實現電控操縱選換擋為目標，設計電控操縱系統試驗臺。由dSPACE控制變速器試驗臺操縱機構自動完成選換擋動作，通過運動模擬軟件計算和試驗驗證兩種方法獲得換擋操縱桿運動過程中操縱桿特定點位的空間位置、速度和定向載荷及其變化率等系列參數。對比驗證表明該設計方案合理可行，對開發AMT操縱系統測試裝置具有借鑒意義。

1 前言

AMT能有效改善換擋平順性，降低駕駛疲勞，且輕便靈活的自動操縱機構有助于降低換擋沖擊，提高變速器齒輪的使用壽命。為解決如何量化評判汽車AMT換擋質量的問題，建立AMT手自一體操縱機構試驗臺，通過試驗找出影響車輛換擋質量的原因，并以選換擋的試驗數據為依據，評價和優化選換擋操縱機構，對于生產制造者開發AMT操縱裝置具有應用價值[1～4]。

陳玉祥等建立了基于ADAMS換擋過程中的同步器動力學模型，對換擋各階段進行仿真分析，獲取換擋力與位移，評價手動變速器換擋難易程度[5]。徐秀華等闡述了全電式AMT選換擋執行機構的工作原理，分析同步器選換擋的時序、位置控制及故障診斷策略影響后，設計同步器控制策略離線與實時仿真[6]。為加速可靠的開發測試過程，本文在微型汽車電控操縱系統軟件開發過程中采用dSPACE加速控制策略的創新和代碼的編寫與重組，實現操縱機構的選換擋控制，在軟硬件結合的試驗臺上量化試驗數據，為后續AMT操縱機構的改型提供方便、快速調整的途徑。

2 操縱機構試驗臺概述

本文AMT操縱機構適用于長安、五菱等微型汽車或重型載貨低速汽車的機械變速器，適合以低成本換取高性能改型的設計，如JL474QG，并側重于測量和計算選換擋操縱桿的空間運動特性。將操縱桿的空間運動簡化為平面上X、Y兩個方向的運動，這一方式易導致偏離理想位置誤差的出現，且難以查證影響機構傳動質量的原因。現采用機構仿真和實物測試驗證來對比計算與實測的差值，分析原因以便后續的優化改進。

2.1 操縱系統試驗臺

電控操縱機構試驗臺硬件包括工控機、無線路由器、DS1104、機械式變速器和手自一體操縱機構等，實現無線遠程控制試驗軟件完成操縱機構試驗測試。

操縱機構試驗臺通過試驗軟件控制步進電機精確驅動操縱桿來完成選換擋過程。在運動分析中分別對指定點在X、Y方向上的力和線性位移進行獨立測算，同時依據拉壓力傳感器采集測得的載荷繪制各自的簡明數據曲線。利用這種機構仿真和實物測試相結合的方法測定連桿指定方向上的力和變速器操縱桿上各點的線性位移、俯仰角、偏航角等數據，將這些數據作為后期核算、分析優化和修改操縱機構產品參數的借鑒依據。

2.2 試驗臺控制系統

為實現AMT操縱機構的電控，配備工控機和無線路由器等硬件和dSPACE、Matlab等軟件平臺。試驗臺控制原理如圖1所示。可知，通過dSPACE單板系統的ADC端口獲取拉壓力、位移傳感器等采集測量的數據和操縱擋位位置信號，通過PWM輸出脈沖來控制選換擋步進電機的轉動。

3 硬件設計

選換擋機構是AMT電控操縱系統的主要機構，簡化模型如圖2所示。可知，其由兩個步進電機帶動換擋桿，即由57步進電機驅動操縱桿完成左、右擺動的選擋動作，42步進電機驅動操縱桿完成前、后搖動的換擋動作。

為順利完成選換擋動作，需確定步進電機作為動力源后，依性能參數選定步進電機的型號和安裝位置。首先通過57步進電機帶動絲桿旋轉，通過滾珠絲桿機構帶動滑塊完成選擋、回位的左右橫向擺動，再依靠42步進電機帶動另一組曲柄搖桿機構完成進、退擋的前后縱向搖動。由于絲桿傳動的線性精度高等特點，57步進電機通過絲桿旋轉帶動滾珠滾動推動螺母平動，置其于絲桿右側以精確選擋動作。另將42步進電機固定在螺母滑塊上，帶動曲柄搖桿機構完成換擋動作，可以節省空間，簡捷方便。

3.1 選換擋電機的選型

步進電機在驅動器輸出的脈沖信號驅動下能以一定的預設角度旋轉，滿足電控操縱機構的空間位置和電機轉速精確調整的要求，同時通過控制脈沖頻率達到控制機構運動的目的。

步進電機旋轉的角度正比于脈沖數，便于準確控制行程，停轉時具有最大的轉矩并能實現自鎖，同向誤差累積小且具有良好的位置精度和運動的重復性，電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，對操縱桿上所采集的數據誤差影響小。

操縱桿球球心至操縱桿連接件孔圓心的距離為90mm，在不計手動變速器選擋阻力下測得操縱桿換擋所需的最大推力為10 N，由公式T=F·D算得作用于操縱桿連接件的最大扭矩為0.9 N·m。依據公式（1）綜合安全裕度及成本等因素，選扭矩為1.2 N·m的57步進電機來完成選擋動作。螺旋滾珠絲桿空間位置如圖3所示。

式中，R為螺旋線所在圓柱面半徑；d為螺旋線所在圓柱面直徑；d0為絲杠圓柱面直徑；Dw為滾珠直徑；λ為滾珠絲杠副中徑螺旋升角；β為滾珠旋轉中心線與絲杠軸中心線的夾角。

在忽略變速器換擋阻力和測試操縱機構輕量化的情況下，操縱機構的最大換擋力為15 N，得到最大扭矩為1.35 N·m。由此選扭矩為0.53 N·m的42步進電機和減速比1:3的減速器串聯來完成測試換擋動作。電機參數見表1。

表1 步進電機參數

3.2 主要零件連桿設計

AMT操縱機構試驗臺采用螺旋絲桿、滾珠螺母和曲柄滑塊串聯組成，其中曲柄滑塊屬典型4桿機構。滑塊的運動副為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，易制造加工，且幾何封閉的低副有利于保證工作的可靠性。其傳動優點如下。

a. 4桿機構連桿上各點的軌跡是各不相同的曲線，其形狀隨著各構件相對長度的調整而變化，故軌跡曲線的多樣化適用于滿足特定的工作需要。同時調整4桿機構原動件運動方程和改變各構件的相對長度可使機構得到不同的運動規律和軌跡方程。

b.型材連桿長度可調令操縱機構傳動易變向變距，則方便行程和載荷變換。前期空間連桿的數據以運動分析軟件模擬計算為主，后期以測試微調為輔，相互應證。

圖4為運動分析軟件初步設計后得到搖桿速度曲線。可知，該方案機構運動存在死點。按初步設定的參數值進行運動分析，可以看出0.46s后線速度趨于平緩，線速度恒定走勢表明桿件勻速運動，處于平衡。

經計算對比后調整操縱桿中心線到型材鉸鏈中心的距離為150 mm，型材的長度為70 mm，操縱桿球頭中心至操縱桿連接件孔圓心的距離為90 mm，如圖5所示。滑塊運動帶動操縱桿的左、右擺動，當滑塊向左移動32 mm時操縱桿向左擺動，滿足操縱桿擺角要求，順利完成左、右橫向擺動的選擋過程，選擋位置如圖5a所示。而42步進電機連接的型材旋轉帶動操縱桿進行前、后縱向搖動的換擋操作，兩個平行面上的桿旋轉中心相同，以70 mm的型材通過連桿帶動操縱桿運動，換擋位置如圖5b所示。

操縱桿選擋角度變化如圖6所示。可知，選擋電機驅動AMT操作桿完成從空擋中間位置到左右兩位置后再回到空擋中間位置所需時間為1.2s，角度測定值在85°～133°間周期性變化，且在133°處存在急回特性。

4 軟件框架設計

為滿足AMT手自電控切換選換擋測試，實現數據采集和后續時序、位置的優化調整，需開發操縱軟件來完成相應工作。如繪制前期設計運動模擬所得的載荷曲線，對比力傳感器采集的操縱桿實際數據，分析差異原因，進行選換擋機構的調整優化，設計合理適用的軟件控制系統使選換擋操縱機構運動平順、簡捷。

4.1 系統架設

在配置工控機、DS1104等硬件基礎上，軟件架設采用基于MATLAB和dSPACE ControlDesk的軟件開發環境。MATLAB適用于算法開發、可視化數據分析、數值計算和用戶交互，利用Simulink模塊來搭建仿真框圖，選換擋系統程序用dSPACE/DS1104來完成控制。

操縱桿選換擋順序通過控制57、42步進電機不同時序的獨立運轉來實現。步進電機的運動規律由步進電機驅動器發送脈沖數量和頻率決定。通過選擇開關來實現相應的脈沖輸出，邏輯量選用0或1，經過軟件開發環境轉換，控制輸出電壓的模擬變化來實現整個操縱過程。選換擋系統分為進擋與退擋，其依次控制驅動器輸出脈沖的時序和頻率，驅動步進電機來完成操縱機構運動。

4.2 軟件簡介

軟件系統主控界面如圖7所示。圖7上方12個按鈕規則排布，第1行分別為1～5觸發（GearUp）按鍵和倒擋（Rev-Gear）按鍵，第2行分別為1～5返回（GearBack）按鍵和倒擋返回（Rev-GearBack）鍵，其中每個按鍵有兩個開關按鈕，顯示為OFF和ON，其輸出值分別為0和1；Enable鍵為控制步進電機使能的開關按鈕，Clear按鈕為計數清零；圖7上方右側為PWM脈寬頻率的調整；圖7下方左側為顯示12個按鍵輸出值變化的曲線圖，以說明當前操作桿擋位的位置狀況；圖7下方右側為拉壓力傳感器變化曲線圖，表明操縱桿在步進電機驅動運轉下不同時刻點載荷數據的變化。

5 試驗分析

AMT電控操縱系統試驗臺適用不同型號AMT開發過程中尺寸結構參數的計算調整及機構可靠性和疲勞壽命的測試，以實現快速開發、驗證新產品的目的。

出于實際用途需要不同，變速器換擋性能評價指標的選用各有不同[1，7]，主要偏重于換擋力、換擋時間、換擋沖量系數a、輸入/輸出軸轉速、選換擋位移、噪聲、機構可靠性和疲勞壽命等方面。結合眾多學者的相關研究[9～12]，從便于直接測試出發，以換擋力、選換擋時間和換擋桿位移3方面作為性能評測指標。

5.1 仿真和測試

整車設計目標因車輛類型不同而有所區別，對變速器質量性能要求也不盡相同。在微型汽車上，轉向盤操控輕便，相應要求變速操縱換擋輕盈、行程便捷。利用試驗臺對JL474QG型AMT選換擋操縱機構進行載荷和位移測量，以1、2擋的換擋循環試驗為例。

計算所得與實際采集的X向載荷數據相互對比，如圖8所示。可知，仿真與試驗載荷兩者數據曲線總體變化一致，模擬計算開始時X向載荷發生瞬間反向變動，與電機啟動時存在反向跳動的情況相符，實際試驗所測載荷數據與仿真模擬的曲線波動一致，波峰波谷則相對平緩，實際環境中摩擦力的阻礙起到削峰填谷作用。

操作桿自動切換1～4擋及R擋位置時特定點所采集的Z向位移如圖9所示。可知，操作桿處于中間位置的Z向位移略大于其它位置的Z向位移，差值為6 mm，但滿足實際使用工況的位置要求。

5.2 試驗曲線

為測試電控操縱系統性能，選機械式手動變速器改裝，與變速器試驗臺進行多次聯調試驗，分析換擋時間、輸入/輸出軸轉速、換擋力對操縱機構性能趨勢的影響。硬件設備連接和軟件設置調整完后點擊軟件界面中“Start”按鈕，系統可以采用自動方式完成測試采集，利用采集到的數據繪制相應的曲線圖形，直觀分析選換擋結果。

操縱機構試驗臺在算法策略的控制下,17 s內完成了1～4擋選換擋測試，測試結果如圖10所示。在測試開始2 s內變速器輸入轉速由0增加到1 800 r/min，保持13 s，降低到900 r/min保持2 s。在此期間變速器電控操縱機構完成自1～4擋依次加擋和4-3擋的減擋，并在輸入轉速減至900 r/min后完成3-2-1擋快速減擋動作。因各選換加擋測試過程相同，以1擋換至2擋的測試結果為例來說明。從其切換過程中變速器最大輸入扭矩控制以180 N·m為限，加載時進退擋兩者上升沿平順，減載時退擋下降沿較進擋下降沿出現明顯鋸齒，由于進擋時變速器同步環摩擦阻礙載荷變動，整個換擋過程存在下降沿呈現鋸齒特征，可通過延長換擋時間加以改善，使扭矩傳遞值在設定范圍內變化平穩，減少變速器磨損。

變速器換擋測試時，由于離合器中斷發動機與變速器輸入軸的動力連接傳輸，輸入軸轉速由PID反饋控制在一定范圍內變化，以保持在1 800 r/min為目標。1～4擋依次換擋過程中輸出軸轉速則由85 r/min增速至470 r/min。

鑒于變速器的參數數據和測試結果，該試驗臺與變速器試驗臺聯調完成換擋時間、輸入/輸出軸轉速、傳遞扭矩的測試，試驗數據滿足實際需要。

5.3 試驗數據

在試驗臺進行AMT選換擋操縱機構各擋位下輸入、輸出轉速測試。為便于比較，除1擋外，2～4各擋輸入轉速設定在1 800 r/min，主減速器的傳動比為35:9，得出各前進擋下速比。輸出轉速為車輪半軸的轉速，結果如表2所列。

表2 變速器前進擋輸入、輸出轉速

測得電控選換擋操縱機構在特定輸入轉速下執行自動設定依次切換至各擋位的消耗時間，如表3所列。空擋至1擋時所測時間短是由于測試時忽略空擋計時所致。由表3可知，加擋過程所耗費時間明顯長于減擋時間，設置電機控制參數是平衡同步器接合套沖擊磨損與換擋力、換擋時間等矛盾需要的策略，圖10中曲線變化范圍滿足微型汽車合理使用的要求。

表3 擋位切換時間 ms

6 結束語

a.設計了手自一體選換擋測試的操縱機構臺架，其方便桿件調整和優化，依據計算和實測采集的載荷、位移數據測試分析選換擋機構的運動特性。

b. 開發了選換擋控制的試驗軟件。借助dSPACE單板系統采集拉壓力傳感器信號，經標定調試后將測得的壓力信號放大濾波，由數據采集控制卡等相關設備實現對連桿上拉壓力的變化過程實時演示。完成數據采集、信號處理、步進電機控制等功能的程序編寫，使試驗臺能夠進行數據采樣、傳輸存儲和圖形曲線顯示等系列操作。

c.電控操縱機構與變速器試驗臺進行聯調試驗，體現各擋輸入/輸出軸轉速變化，并從換擋時間、換擋力兩方面比較了選換擋機構對變速器性能的影響。

1 田韶鵬,陳誠.基于LabVIEW的汽車機械式變速器換擋性能試驗臺研制.汽車技術,2014,465（6）:42～47.

2 秦大同,杜波,段志輝,等.某型混合動力汽車AMT換擋控制策略的研究.汽車工程,2013,35（11）:1004～1010.

3 白鶴,張文春,周志立.電控機械式自動變速器在拖拉機上的應用.農業機械學報,2007,38（4）:187～190.

4 王云成,王慶年,謝飛,等.重型載貨汽車不分離離合器AMT技術.汽車技術,2010,38（5）:14～18.

5 陳玉祥,臧孟炎,陳勇,等.基于虛擬樣機技術的手動變速器換擋力分析.中國機械工程,2012,23（8）:996～1000.

6 徐秀華,陳勇,羅大國,等.全電式AMT同步器控制分析及其驗證.汽車技術,2013,452（5）:41～45.

7 張俊杰,馬林娜,陳逢.AMT換擋性能試驗臺設計與開發.機電產品開發與創新,2013,26（5）:102～104

8 Chyuan-Yow Tseng,Chih-Hsien Yu.Advanced shifting control of synchronizer mechanisms for clutchless automatic manual transmission in an electric vehicle.Mechanism and Machine Theory,2015,84（2）:37～56.

9 KIM S J,SONG C,KIM K S,et al.Analysis of the shifting be?havior of a novel clutchless geared smart transmission.Inter?national Journal of Automotive Technology,2014,15（1）: 125～134.

10 馬培蓓,吳進華,紀軍,等.dSPACE實時仿真平臺軟件環境及應用.系統仿真學報,2004,16（4）:667～670.

11 武州,石曉輝,李文禮.AMT試驗臺控制系統的研發.計算機測量與控制,2012,20（9）:2399～2401.

12 曹淼龍,李強,程峰,等.一種手自聯動換擋裝置及其控制方法.中國,201210142034.5.2012-09-12.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2014年12月1日。

Design on Test-bed of AMT Electric Control System Based on dSPACE

Cao Miaolong,Li Qiang,Yang Likang
（Zhejiang University of Science and Technology）

Test bed of electric control system for automatic manual transmission(AMT)shifting mechanism is designed with the objective of realizing electric gearshift.With dSPACE to control AMT test bed control mechanism to perform gearshift manoeuvre automatically,and apply motion simulation software calculation and test verification to obtain parameters,i.e.spatial position,speed and directional load as well as change rate,etc.,for the control lever at specific position of the gearshift lever during motion.The comparison and verification show that the design plan of shifting mechanism is reasonable and feasible,which will provide reference significance for the development of AMT control system test device.

AMT,Electric control system,Test bed,dSPACE

AMT 電控操縱系統 試驗臺 dSPACE

U463.212

A

1000-3703（2015）04-0041-05

浙江省科技計劃公益技術項目（2013C32099）;國家自然科學基金（51205360）;校級自制設備項目（ZZSB201302）。